БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 8, с. 1160 - 1180
УДК 577.213
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ: РОЛЬ В ОБРАЩЕНИИ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ
Обзор
© 2015 Ручи Аггарвал1#, Минакши Джа2#,
Анью Шривастава2, Абхиманю Кумар Джа1*
1 Инженерный колледж IMS, кафедра биотехнологии, 201009 Удха-Прадеш, Индия
2 Университет Дели, кафедра зоологии, 110007Дели, Индия
Поступила в редакцию 05.01.15 После доработки 16.02.15
Процесс канцерогенеза характеризуется изменениями в экспрессии различных генов в результате произошедших генетических и эпигенетических изменений, включая перестановки в геноме и возникновение его нестабильности. Обратимый процесс эпигенетической регуляции, который включает изменения в профиле метилирования ДНК, модификации гистонов и изменения в экспрессии микроРНК, приводящие к изменениям фенотипа без изменений последовательности ДНК, является основным механизмом при метаболизме раковых клеток. Последние достижения в быстро развивающейся области эпигенетики рака показали, что различные биологически активные вещества природного происхождения, благодаря их противоопухолевому потенциалу, нацеленному на эпигенетические механизмы, могут представлять молекулярную основу для разработки лекарств с перспективой их использования при лечении различных форм рака. В настоящем обзоре обобщены данные по потенциальным возможностям природных соединений обращать связанные с опухолевой трансформацией эпигенетические аберрации с помощью регуляции активности деа-цетилаз и ацетилтрансфераз гистоновых белков, ДНК метилтрансферазы I и микроРНК. Более того, есть острая необходимость в определении новых и эффективных химиопрофилактических стратегий в отдельности или в сочетании с другими противоопухолевыми агентами, демонстрирующими сходные свойства, для улучшения методов лечения рака.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эпигенетический, гистон, метилирование ДНК, рак.
Онкологические заболевания стоят на втором месте в мире по частоте их возникновения. Согласно информации агентства ИоЪоеап в 2012 г.) (http://g1obocan.iarc.fr) отмечено 14,1 млн новых случаев заболевания раком, 8,2 млн случаев смерти от рака. В мире 32,6 млн людей живут с диагнозом «рак» в течение 5 лет после установления диагноза. Большинство случаев заболевания раком приходится на менее развитые регионы, в которых регистрируется 57% (8 млн) новых случаев заболевания раком, 65% (5,3 млн) случаев смерти от рака. Развитие рака начинается и прогрессирует в результате синхронизированных генетических и эпигенетических изменений, которые приводят к изменениям экспрессии многих генов или же вызывают активацию
* Адресат для корреспонденции.
# Авторы внесли равный вклад в работу.
онкогенов и сайленсинг генов опухолевых суп-рессоров [1]. Эпигенетические изменения представляют собой наследуемые изменения уровня экспрессии генов, вызванные химическими модификациями генов, которые не включают изменения первичной последовательности ДНК. Эти эпигенетические модификации рассматриваются в качестве потенциальных инициирующих событий, которые происходят на ранних стадиях канцерогенеза. Эпигенетические механизмы, включая ремоделлинг хроматина, соответствующим образом через рекрутирование широкого набора корегуляторов комплекса ремоделлинга хроматина, эффекторных молекул и факторов транскрипции, синтез не-кодирующих микроРНК, метилирование ДНК, а также ковалентную модификацию гистоновых белков, в том числе ацетилирование, деацетили-рование, фосфорилирование, убиквитинилиро-
вание и сумоилирование, рассматриваются как важные детерминанты регуляции экспрессии генов [2].
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
Метилирование ДНК — это ковалентная модификация эукариотической ДНК с участием ДНК-метилтрансфераз (DNMT), которые осуществляют перенос метильных групп от S-аде-нозил-Ь-метионина (SAM — S-adenosyl-L-methionine) в 5-е положение в пиримидиновом кольце цитозина, преимущественно расположенном внутри последовательностей CpG [3]. В геноме человека имеются регионы, богатые CpG (известные как CpG островки), локализованные в регуляторных участках поддерживающих генов, тканеспецифичных генов и генов опухолевых супрессоров, они обычно находятся в неметилированном состоянии в нормальных клетках, за исключением ~6—8% CGIs, метилированных в тканеспецифичной манере [4].
Напротив, гиперметилирование повторяющихся геномных последовательностей (повторы рибосомальной ДНК, сателлитные повторы или центромерные повторы) предотвращают нестабильность хромосом, транслокации и разрушение структуры генов путем ограничения доступа к машинерии процесса транскрипции [5]. Эти метки метилирования добавляются к ДНК ферментами семейства ДНК-метилтрансфераз. DNMT1, широко распространенный фермент, рассматривается в качестве основной метил-трансферазы, участвующих в поддержании уровня метилирования ДНК, которая несет ответственность за копирование паттернов ДНК-метилирования дочерними цепями во время репликации ДНК [6]. Два других ДНК-метили-рующих фермента (DNMT3A и DNMT3B) служат в качестве de novo метилтрансфераз, осуществляющих метилирование ДНК на ранних стадиях развития [7].
В то же время в геноме опухолевых клеток происходит глобальное гипометилирование повторяющихся геномных последовательностей, что ассоциируется с нестабильностью генома и хромосомными аберрациями [8, 9]. ДНК-метилирование играет существенную роль при различных физиологических процессах, таких как инактивация X-хромосомы, импринтинг и сайленсинг зародышспецифичных генов и могут влиять на транскрипцию генов путем предотвращения связывания ключевых факторов транскрипции [10]. Гиперметилирование промотор-ных островков CpG в генах опухолевых супрес-соров приводит к сайленсингу транскрипции,
что вносит вклад в проявление многих признаков опухолевых клеток [11].
Модификации гистоновых белков. Внутри ядра молекула ДНК обернута октамером гистоновых белков, образованных 4 гистонами, тетра-мером H3—H4 и двумя димерами H2A-H2B [12]. Посттрансляционные модификации ^-конце-вых участков гистоновых белков, включая аце-тилирование, метилирование, убиквитинилиро-вание, фосфорилирование, биотинилирование, сумоилирование, АДФ-рибозилирование и изомеризацию пролиновых остатков, влияют на стабильность генома и целостность чекпойнтов клеточного цикла, регулирующих транскрипцию генов и репарацию ДНК [13]. Эти модификации катализируются различными гистон-мо-дифицирующими ферментами, которые добавляют или удаляют специфические функциональные группы. В их число входят метилтранс-феразы (HMT — histone methyltransferase), деме-тилазы (HDM — histone demethylase), ацетилтранс-феразы (HAT — histone acetyltransferase) и деаце-тилазы (HDAC — histone deacetylase) гистоновых белков [14].
Ацетилирование гистоновых белков представляет собой высоко динамичный процесс, поддерживаемый взаимодействием ацетилтрансфе-раз и деацетилаз гистоновых белков, которые действуют противоположно. HAT используют в качестве кофактора ацетилКоА и катализируют перенос ацетильной группы на е-аминогруппу остатков лизина (K) гистоновых хвостов, что приводит к нейтрализации положительного заряда остатков лизина и более расслабленной структуре хроматина, что облегчает рекрутирование машинерии транскрипции. HDAC обращают ацетилирование остатков лизина, катализируя перенос ацетильной группы на кофермент А (CoA), восстанавливают положительный заряд остатков лизина и стабилизируют локальную архитектуру хроматина. Гиперацетилирова-ние гистоновых белков приводит к активации обычно репрессированных генов, в то время как гипоацетилирование вызывает сайленсинг транскрипции генов [15]. Было показано, что различные регуляторные белки и факторы транскрипции, такие как p53, E2F и ядерный фактор kB (NF-kB), вовлеченные в ответ на стресс, воспаление и апоптоз, подвержены регуляции с помощью ацетилирования [16].
Метилирование гистоновых белков представляет собой процесс переноса метильных групп от S-аденозилметионина на остатки лизина и аргинина гистоновых белков хромосом, связанный с активацией транскрипции, инактивацией или молчащими участками геномов [17]. Метилирование гистонов происходит с участием S-аде-
нозилметионин-зависимых метилтрансфераз гистоновых белков. Эффект метилирования гистонов на функцию генов и состояние хроматина зависит от метилированных остатков лизина (например, K4, K9, K27, K36, K79 в гистоне H3), статуса метилирования (моно-, ди- или триметилирование) и расположения (взаимодействие с промотором, а не с кодирующими участками генов) [18].
Фосфорилирование гистонов включает модификацию остатков серина, треонина и тирозина, которая регулируется протеинкиназами (PK) и протеинфосфатазами (PP), которые добавляют или удаляют фосфатную группу, соответственно [19]. Модификация гистонов протеин-киназами приводит к увеличению их отрицательного заряда за счет добавленной фосфатной группы от молекулы АТФ, что приводит к отталкиванию гистонов друг от друга и, следовательно, ассоциируется с активацией транскрипции. Показано, что фосфорилирование гистонов ассоциируется с различными клеточными ответами, включая регуляцию транскрипции, митоз, репарацию поврежденной ДНК, регуляцию генов развития, прогрессию клеточного цикла, конденсацию хромосом и апоптоз [20].
Убиквитинилирование и сумоилирование гистонов. Убиквитинилирование гистонов представляет собой ферментативный процесс посттрансляционной модификации белков, при котором состоящий из 76 аминокислотных остатков белок убиквитин прикрепляется к остаткам лизина гистоновых белков H2A и H2B путем последовательного действия трех ферментов: E1 убиквитин-активирующих, E2 убиквитин-конь-югирующих и E3 убиквитинлигаз. Комплекс ферментов является специфичным по отношению к субстрату и определяет степень убиквити-нилирования, т.е. моно- или полиубиквитини-лирование. Убиквитинилирование гистонов H2A и H2B ассоциируется с различными последствиями транскрипции генов. Так, моноубикви-тинилирование Н2А рассматривается как маркировка репрессии гена, в то время как убикви-тинилирование Н2В играет важную роль как в активации транскрипции, так и ее репрессии. Убикв
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.